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Des matériaux écologiques et sains

→ Des matériaux à faible énergie grise

Le concept d’énergie grise répond à un souci de considérer le bilan énergétique global d’un matériau. Elle se définie comme la somme de toutes les énergies liées à la vie d’un matériau depuis sa conception :

– L’extraction des matières premières nécessaires à la production du matériau fini

– Le transport des matières premières

– Le traitement et transformation des matières premières

– La production du matériau

– La commercialisation du matériau

– Le transport du matériau jusqu’à son lieu de mise en œuvre

– La mise en œuvre du matériau

– La maintenance du matériau durant son utilisation (entretien, réparation, remplacement)

– Le recyclage du matériau en fin de vie

D’un point de vue strictement énergétique, le choix entre deux ou plusieurs matériaux pour une même utilisation devrait se faire par comparaison entre l’énergie grise consommée et l’énergie économisée durant toute la vie de l’habitation du fait de son emploi.

A titre comparatif, voici l’énergie grise de quelques matériaux, calculé pour la France Métropolitaine. Pour la Polynésie, la majorité des matériaux étant importé, il faudra notamment y rajouter l’incidence du transport du matériau fini jusqu’à notre destination, ou dans le cas d’une production locale, le coût énergétique du transport des matières premières importées :

– Laine de chanvre : 0,05 MWh/m3

– Fibres de lin : 0,05 MWh/m3

– Laine de mouton : 0,05 MWh/m3

– Ouate de cellulose : 0,15 MWh/m3

– Bois : de 0,1 à 0,6 MWh/m3

– Laine de bois : 0,22 MWh/m3

– Parpaing creux : de 0,27 à 0,41 MWh/m3

– Laine de verre : de 0,3 à 0,8 MWh/m3

– Laine de roche : 0,3 à 0,8 MWh/m3

– Béton (cellulaire) : 0,5 MWh/m3

– Tuile terre cuite : 0,5 MWh/m3

– Brique monomur : 0,68 MWh/m3

– Béton (bloc) : 0,7 MWh/m3

– Polystyrène expansé : 0,7 MWh/m3

– Brique pleine : 1,2 MWh/m3

– Tuiles béton : 1,4 MWh/m3

– Plaque de plâtre : 1 45 MWh/m3

– Béton armé : 1,85 MWh/m3

– Bois lamellé collé : 2,2 MWh/m3

– Bois aggloméré : 2,2 MWh/m3

– PVC : 13 MWh/m3

– Acier (recyclé) : 24 MWh/m3

– Acier : 60 MWh/m3

– Cuivre : 140 MWh/m3

– Zinc : 180 MWh/m3

– Aluminium : 195 MWh/m3

Du fait de la prise en compte du transport des matières premières et de matériaux finis dans le calcul de l’énergie grise, l’utilisation de matériaux locaux aura un impact positif par rapport à l’utilisation de matériaux d’importation.

→ Les matériaux recyclables

Un autre élément à prendre en considération lors du choix d’un matériau est son devenir en

fin de vie. Idéalement, un matériau doit être recyclable. On le voit dans la liste ci-dessus pour l’acier : l’acier primaire nécessite 60 MWh/m3 d’énergie grise, alors que l’acier recyclé n’en nécessite qu’à peine plus du tiers. Offrir deux ou plusieurs vies à un matériau permet de diminuer l’impact énergétique à long terme. Le recyclage permet en outre de réduire le volume des déchets dont le processus de dégradation peut être très long. Il préserve en outre les ressources naturelles, le matériau recyclé évitant l’extraction dans la nature des matières premières nécessaires à sa fabrication.

→ Les matériaux non polluants

Les matériaux mis en œuvre dans une habitation ne doivent pas générer de pollution susceptible de porter atteinte à la santé de ses occupants. Ces pollutions sont variées :

– les moisissures et germes pathogènes : ils sont la cause d’allergies voire de maladies infectieuses. L’humidité favorisant leur développement, c’est une ventilation efficace qui en assurera la prévention.

– les microparticules et microfibres : en suspension dans l’air, ils peuvent causer de graves maladies de l’appareil respiratoire (silicose, cancers) à l’instar de l’amiante dont l’emploi est maintenant proscrit.

– les substances gazeuses : souvent dégagées par les matériaux chimiques présents dans certains isolants, les colles, produits de finition et de décoration (COV pour Composés Organiques Volatils), ces substances sont à l’origine d’affections graves (cancers, effets mutagènes, effets neurotoxiques.

– les métaux lourds : le plus connu étant le plomb, mais aussi certains produits de traitement du bois (cuivre, chrome, arsenic).

– Les rayonnements ionisants : certains produits radioactifs (soit disant de faible intensité) sont recyclés pour rentrer dans la composition de certains matériaux de construction.

Pour les matériaux non recyclables en fin de vie, on optera de préférence pour des matériaux facilement biodégradables afin de préserver au mieux l’environnement.

→ Les matériaux renouvelables

Du point de vue du développement durable, les matériaux doivent être autant que possible renouvelables, sous peine de faire face à terme à une pénurie et donc à une flambée des prix et de devoir se tourner vers des matériaux de substitution moins performants ou moins écologiques. De manière générale, les matériaux d’origines animale (laine de mouton pour l’isolation par exemple) et végétale (le bois, le bambou, la fibre de chanvre, la fibre de coco) sont renouvelables. Mais pour assurer la pérennité d’une ressource, il faut également une gestion responsable en amont. L’utilisation du bois pour la construction est une bonne chose, à condition, qu’une exploitation inconsidérée des forêts ne conduise pas à l’épuisement des ressources. Environ 13 M d’hectares de forêts tropicales sont rayées de la planète chaque année, ce qui correspond à la superficie totale des forêts de l’hexagone. Cette exploitation ne se fait pas sans engendrer des bouleversements écologiques (donc climatiques), sociaux et économiques à l’échelle mondiale.

Le FSC : une garantie de traçabilité du bois !

Le FSC (Forest Stewardship Concil), créé en 1993 défini lui-même son but, qui est « de promouvoir une gestion des forêts du globe qui soit responsable du point de vue environnemental, socialement bénéfique, et économiquement viable ». Outre la traçabilité du bois depuis sa forêt d’origine jusqu’au magasin, le logo FSC garantie :

– des conditions de travail décentes pour les populations locales

– une coupe sélective (1 arbre par essence et par hectare)

– la protection de zones hébergeant des espèces rares et menacées, pour le maintien de la diversité biologique

– la restauration des zones dégradées par l’exploitation des forêts

– le contrôle de l’érosion et des dommages liés à la construction du réseau routier

– l’exclusion de la plantation d’arbres génétiquement modifiés.

 

Des matériaux performants 

Chaque matériau est caractérisé par des propriétés physiques et en particulier des propriétés thermiques qu’il convient de connaître pour une utilisation conforme aux principes bioclimatiques dont dépendra en grande partie la performance énergétique de l’habitation dans son ensemble. Durant la saison des pluies chaude et humide, durant laquelle le confort thermique est le plus compromis, l’enveloppe de l’habitation devra protéger de la chaleur extérieure, tandis que la ventilation participera au rafraîchissement de l’intérieur.

 Les propriétés thermiques des matériaux 

→ La conductivité thermique

C’est la capacité de transmettre la chaleur par conduction, rayonnement et convection. Moins la conductivité thermique d’un matériau est importante, plus celui-ci est isolant. C’est une propriété fondamentale dans le cas de notre climat, car une faible conductivité thermique participe à la protection contre la pénétration de la chaleur à l’intérieur de l’habitation.

→ La capacité thermique

C’est l’aptitude à stocker et à restituer de la chaleur. Cette caractéristique est appréciable pour préserver l’intérieur de l’habitation des fortes amplitudes de température entre le jour et la nuit. Sous notre climat et à basse altitude, l’amplitude thermique n’est pas assez prononcée pour pouvoir exploiter la capacité thermique des matériaux.

→ Diffusivité thermique

C’est la capacité à transmettre rapidement une variation de température. Elle dépend en même temps de la conductivité du matériau (qui la fait croître) et de la capacité thermique (qui la fait décroître). Plus la diffusivité est importante, moins la chaleur mettra de temps pour traverser l’épaisseur du matériau.

→ Effusivité thermique

Elle mesure la rapidité avec laquelle le matériau absorbe la chaleur. Plus l’effusivité est élevée, plus le matériau peut absorber d’énergie sans connaître de réchauffement notable. Sous notre climat chaud, on préfèrera des revêtements intérieurs à forte effusivité tels que le carrelage ou le marbre qui retardent l’échauffement des surfaces.

Les comportements spécifiques face aux rayonnements solaires

Selon les caractéristiques de la surface d’un matériau, le rayonnement solaire sera réfléchi, absorbé et/ou transmis :

→ L’absorption

La perception des couleurs est très liée à la capacité d’absorption et de réflexion d’une surface. Un corps qui absorbe toutes les rayons parait noir. Un corps qui réfléchi ces mêmes rayons parait blanc. Le blanc étant la combinaison de toutes les couleurs spectrales visibles, la perception que l’on aura de la couleur d’un corps dépendra des rayons qu’il absorbe et des rayons qu’il réfléchit. Une teinte claire indiquera une faible absorption et inversement.

Or, l’absorption du rayonnement solaire par un matériau se transforme en chaleur qui se transmets plus ou moins vite dans toute la masse, jusqu’à ce qu’elle soit parfaitement répartie. En optant par exemple pour une toiture en tôle blanche, ou lorsque l’on peint les murs de façade en blanc, on minimise l’absorption des rayons et donc de chaleur. Sous notre climat, une teinte claire est donc à privilégier.

Dans le cas d’une piscine située en altitude, et selon le même principe, on utilisera un revêtement foncé qui permettra de capter plus de rayons et de chauffer l’eau, pour compenser les baisses de températures dues au dénivelé.

→ La transmission

Un corps transparent ne réfléchi ni n’absorbe le rayonnement. Il le transmet avec une altération plus ou moins importante. Dans le cas du verre par exemple, la perte de transmission due à l’absorption, la réflexion et la convection dépend de l’opacité du verre et notamment sa teneur en fer. Les matériaux translucides transmettent la lumière en la diffusant à cause de leur masse irrégulière.

Les baies et fenêtres représentent donc des points faibles dans la lutte contre le réchauffement du volume intérieur de l’habitation puisque le rayonnement direct peut atteindre le plancher et les murs intérieurs qui en absorberont la plus grande partie.

→ La réflexion

Le rayonnement solaire qui n’est ni absorbé, ni transmis est réfléchi. Les rayonnements réfléchis par un matériau ne provoquent donc pas son échauffement. Outre sa couleur (voir l’absorption), la texture (dépolie ou polie) du matériau influe sur la réflexion qui sera diffuse ou spéculaire. Une feuille d’aluminium finement polie se comportera comme un miroir et réfléchira un rayon unique (réflexion spéculaire), alors qu’un mur à la surface rugueuse peint en blanc réfléchira le rayonnement dans tous les sens (réflexion diffuse). Ce phénomène est par exemple exploité pour le revêtement extérieur inférieur des avions de lignes. Le métal poli réfléchi l’énergie thermique émise par le tarmac brûlant durant le stationnement, préservant ainsi l’intérieur de l’avion du réchauffement. En matière de construction, les surfaces polies extrêmement réfléchissantes ne sont pas utilisées notamment à cause de l’éblouissement gênant qu’elles peuvent provoquer.

Une enveloppe performante

Selon le climat, le choix des matériaux de construction et d’isolation répond à une stratégie plus ou moins complexe selon les performances thermiques recherchées pour les différentes parois de l’habitation. Sous notre climat, si l’on opte pour une climatisation naturelle (par hyperventilation), la stratégie reste relativement simple : il s’agira d’obtenir une enveloppe isolante qui préservera de la chaleur générée par le rayonnement solaire, associée à une ventilation permanente (jour/nuit), sans spécialement rechercher une inertie thermique, qui nécessiterai pour jouer pleinement son rôle, un écart de température important entre le jour et la nuit.

Pourquoi isoler ?

Le rôle de l’isolation thermique est de faire barrage à la déperdition thermique, c’est-à-dire, dans le cas de notre climat chaud, la transmission de l’extérieur vers l’intérieur par conduction, convection ou rayonnement, des flux de chaleur générés par le rayonnement solaire.

La déperdition thermique peut intervenir à plusieurs niveaux :

– à travers les parois elles mêmes (murs, toiture, vitrage…), de manière plus ou moins rapide en fonction des matériaux utilisés.

– par les ponts thermiques, qui correspondent à des points faibles ou la conductivité thermique est importante. Les ponts thermiques se situent souvent au niveau des jonctions des parois entre elles, entre les murs et planchers. La déperdition thermique est très variable selon la technique de construction.

– par manque d’étanchéité à l’air (au niveau des huisseries par exemple). Dans une stratégie adaptée à notre climat tropical qui repose sur un refroidissement par ventilation pour favoriser l’évacuation de chaleur par convection, ce mode de déperdition n’est toutefois pas préjudiciable, ce n’est pas le cas si le rafraîchissement est assuré par une climatisation.

Le fonctionnement des isolants

Lorsque l’enveloppe de l’habitation est exposée aux rayonnements du soleil (direct, diffus et réfléchis), les calories qui atteignent les différentes parois passent au travers par conduction sont restituées à l’intérieur par rayonnement. La caractéristique d’un isolant est sa faible conductivité thermique, qui ralentit la transmission de la chaleur de l’extérieur vers l’intérieur.

Le vide est le meilleur isolant qui soit puisqu’il ne permet des échanges thermiques que par rayonnement. De tout nouveaux isolants utilisant une structure sous vide permettent une efficacité jusqu’à 10 fois supérieure à un isolant classique.

Les isolants courants sont constitués d’alvéoles de très petits volumes destinés à compartimenter l’air et à freiner ainsi les transferts par conduction et rayonnement. Plus l’isolant est épais, plus les cellules et les parois intercellulaires sont nombreuses et plus il est efficace.

Les matériaux d’isolation rapportés

Ces matériaux peuvent être mis en œuvre au niveau de la construction comme de la rénovation. Contrairement aux matériaux d’isolation répartie, les matériaux d’isolation rapportés n’ont qu’une fonction isolante.

→ Les isolants synthétiques

Issus de l’industrie du pétrole, ils ne sont pas à considérer comme des produits répondant à une logique environnementale, même s’ils sont la plupart du temps composés de matières recyclées.

En effet, leur production nécessite beaucoup d’énergie, produit une grande quantité de dioxyde de carbone et représente une importante source de pollution. Leur utilisation reste problématique à cause de leur toxicité (surtout en cas d’incendie). En fin de vie, le recyclage ne peut être effectué, et leur élimination représente un danger sanitaire et environnemental.

Seules les fibres de polyester (polystyrène expansé ou extrudé, polyuréthanes…) ne représentent pas de danger lors de l’utilisation puisqu’elles ne dégagent pas de composés organiques volatils (COV). Mais les bilans carbones et énergie grise restent très médiocres.

Notons cependant que leur capacité isolante est excellente, avec une conductivité thermique de 0,032 à 0,038 W/mK.

→ Les isolants minéraux

Ils sont produits à partir de matières minérales (silice, roches volcaniques, argile…) auxquelles peuvent être ajoutés des produits issus du recyclage tel que le verre. La matière première est abondante mais les procédés de fabrication impactent lourdement le bilan carbone et énergie grise. Le potentiel de recyclage dépend largement des matériaux qui leurs sont associés.

Dans cette catégorie, les laines minérales (laine de verre et de roche) sont les plus couramment utilisées. Elles se présentent en rouleaux ou en panneaux semi-rigides, mais également en vrac. Leur capacité isolante est comparable à celle des fibres polyester mais nécessitent une forte densité pour assurer un confort thermique correct en saison chaude.

Du point de vue de la santé, il y a risque d’inhalation des fibres en suspension dans l’air. Celles-ci peuvent également causer des irritations de la peau. Les liants utilisés dans la fabrication peuvent incommoder les personnes sensibles et notamment les asthmatiques.

Le verre cellulaire est composé d’une pâte de verre broyée (fabriquée notamment avec du sable siliceux) à laquelle on ajoute de la poudre de carbone avant passage au four. Le volume comporte ainsi une multitude de cellules étanches renfermant un gaz inerte. La capacité isolante est bonne à moyenne (de 0,037 à 0,06 W/mK)

Sur le plan sanitaire, seuls les bitumes utilisés pour le collage à chaud présentent une toxicité potentielle, notamment lors de la pose ou en cas d’incendie.

Ici encore, les bilans carbones et énergie grise sont élevés. Le recyclage reste problématique pour les produits collés ou bitumés et pour lesquelles aucune filière adaptée n’existe. Enfin, leur coût est élevé.

La mousse minérale en panneaux moulés adopte un processus de fabrication similaire au béton cellulaire. Mélange de sable siliceux de ciment, de chaux et d’eau, on lui ajoute de la poudre d’alumine comme facteur moussant.

Ce matériau est stable et ne génère pas d’émanation. Les bilans carbones et énergie grise restent moyens. La capacité d’isolation reste correcte avec une conductivité thermique de 0,045 W/mK.

→ Les isolants d’origine végétale

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